多孔道二维纳米材料的电化学储能应用

二维纳米材料，例如石墨烯、过渡金属硫化物等，具有许多独特的物理、化学和电学性能。相比体相材料，二维纳米材料具有更多的比表面积和活性位点，开放的离子扩散通道，这使得锂离子（和碱金属离子）的快速传输和高效储存成为可能。尽管如此，二维材料中存在的权限仍然限制了其在电化学储能方面的应用，例如在电极处理和组装过程中，二维材料会重新堆积并聚合，导致材料的电化学活性面积显著降低，离子传输路径变长, 动力学减慢；此外，二维纳米材料高的比表面积可能消耗更多的电解液用于形成SEI，导致不必要的副反应。因此，构筑兼具高能量密度和高倍率性能的高效能量存储器件仍然是一项艰巨的挑战。

为解决上述问题，二维纳米材料的孔道调控与设计使得其在电化学储能应用上呈现出全新的面貌。相比于具有平滑表面的二维纳米片，多孔二维纳米材料可以为电化学储能应用提供诸多结构优势（如图示）：首先，多孔二维纳米结构为电化学反应提供了大的有效表面积和丰富的活性位点，这对提高特定的能量密度有显着的贡献。其次，多孔道二维纳米材料可确保电解液对电极表面的有效浸润和渗透，促进电极-电解液界面间的快速电荷转移。第三，多孔二维纳米材料可显着缓解二维纳米材料的重新堆积问题，其内部开放的结构能够打开阻塞的活性表面以改善离子存储。最后，多孔二维纳米材料中的孔道结构有助于缓解电极材料，尤其是基于转换/合金化的负极材料，在电化学过程中的体积变化，从而赋予多孔二维纳米材料优越的力学性能，并改善其在电化学充放电周期中的结构降解。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（http://yugroup.me.utexas.edu/）和彭乐乐博士梳理了近来多孔二维纳米材料作为电化学储能应用的最新研究进展，归纳了多孔二维纳米材料的合成途径包括化学腐蚀法，水热/溶剂热法，模板法；讨论了二维多孔材料的通用结构设计准则与其在电化学储能上存在的优势与特性。同时，作者还详细介绍了二维多孔纳米材料作为电化学储能器件的代表性工作，包括在电容器（包括双电层电容器、赝电容器和离子电容器），锂电池，钠电池和其他新兴电池技术（锂硫电池与金属-空气电池）。最后，作者还对二维多孔纳米材料在能量存储和转换方面的应用中存在的挑战和前景做出了展望。

相关论文发表于Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201702179）上。